Si-O-C界面层对C/SiC-N复合材料力学性能和热膨胀性能的影响

以CVI方法制备基体、以PIP工艺制备界面层成功制备出了具有Si-O-C界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Si-O-C/Si-C-N),研究了Si-O-C界面层对C/Si-C-N复合材料力学性能和热膨胀性能的影响。结果表明:C/SiO-C/Si-C-N的抗弯强度与C/PyC/Si-C-N基本相当,Si-O-C界面层在C/Si-C-N中可起到与PyC界面层基本相同的作用;在实验温度区间内,C/Si-O-C/Si-C-N平均热膨胀系数比C/PyC/Si-C-N略有升高。     

C/Si-C-N复合材料的制备及其氧化行为研究

采用CVI方法制备出了以Si-C-N陶瓷为基体以热解炭为界面的炭纤维增强陶瓷基复合材料(C/Si-C-N)。采用热重法研究了C/Si-C-N复合材料在空气中的氧化行为,并探讨了基体制备温度对复合材料抗氧化性能的影响。研究表明:不同温度下制备的复合材料,其氧化行为完全不同。高温下制备的C/Si-C-N复合材料其氧化失重随氧化温度的升高而持续增加;低温下制备的C/Si-C-N复合材料则其氧化失重先随温度的升高而增加,随后在800~1000℃之间随温度的升高而减小,接着又随温度的升高而增加。较高的制备温度可使复合材料在900℃以下温度区间的抗氧化性能得到提高,但却使900℃以上温度区间的抗氧化性能降低。     

C/PyC/Si-C-N复合材料的热膨胀行为

采用CVI方法制备出了具有热解碳界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/PyC/Si-C-N)和无界面层的碳纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Si-C-N)。用热膨胀仪分别测试了C/PyC/Si-C-N和C/Si-C-N的热膨胀性能,研究了碳界面对复合材料热膨胀性能的影响。研究结果表明:在25~1200℃范围内,C/PyC/Si-C-N复合材料的平均热膨胀系数为0.638×10-6 K-1,线膨胀率为0.0752%;在780℃以上,碳界面的存在使碳纤维增强SiC-N基复合材料的热膨胀系数降低,在780℃以下时则对复合材料的热膨胀系数基本无影响。     

CVI法制备的C/PyC/Si-C-N复合材料弯曲行为研究

采用CVI方法制备出了以Si-C-N陶瓷为基体、以热解碳为界面的碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/PyC/Si-C-N).用扫描电子显微镜(SEM)分析了C/PyC/Si-C-N的断口形貌,用三点弯曲法测试了C/PyC/Si-C-N的弯曲行为.研究结果表明:在1600℃以下,C/PyC/Si-C-N的弯曲强度随温度的升高而增加,弹性模量基本保持不变并略有增加;随温度的升高,PyC界面层较厚的区域其界面结合会逐渐变强,而界面层厚度非常小或无界面层的区域其界面结合会逐渐变弱.     

具有莫来石界面的C/Si-C-N复合材料热物理性能

以PIP方法制备界面层、CVI工艺制备基体,制备以Si-C-N陶瓷为基体、以莫来石为界面的碳纤维增强陶瓷基复合材料(C/mullite/Si-C-N).采用热膨胀仪和激光导热仪分别测试C/mullite/Si-C-N的热膨胀性能和热扩散性能,采用SEM和XRD分析材料的组织和形貌,采用DSC/TG同步分析仪分析基体材料的结构变化.结果表明:在25～1200℃范围内,C/mullite/Si-C-N复合材料的平均热膨胀率为1.58×10-6℃-1,线膨胀率为0.18％.复合材料的热扩散率与温度呈指数下降关系,这种指数关系是由基体的非晶结构造成的.热处理后的C/mullite/Si-C-N相对于未热处理的试样室温下的热扩散率显著下降,300℃以上的高温区段则略有升高,其在1000℃以下结构稳定,能满足工程应用需求.     

C/Mullite/Si-C-N复合材料的组织结构及其弯曲行为研究

本研究制备出了以莫来石为界面层的炭纤维增强Si-C-N陶瓷基复合材料(C/Mullite/Si-C-N).使用三点弯曲法研究了复合材料在室温、1300℃和1600℃时的弯曲断裂行为,利用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察了复合材料的组织和弯曲断口形貌.结果表明:在室温和1300℃时,C/Mullite/Si-C...     

连续碳纤维增强陶瓷基复合材料的氧化行为和氧化防护研究

通过叙述C/C和C/SiC两种复合材料的氧化特点分析了碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRCMCs)的氧化行为,分别从纤维、基体、界面层及外表面4个方面综述了碳纤维改性、基体抗氧化技术、界面层抗氧化技术和表面涂层技术4种CFRCMCs的抗氧化技术,分析了4类抗氧化技术的原理和特点。     

连续纤维增强陶瓷基复合材料界面层研究进展

界面层是陶瓷基复合材料中的关键组成部分,因对复合材料的各项性能都有重要影响,而成为陶瓷基复合材料研究的重点之一。本文在叙述界面层功能的基础上,分别对结构陶瓷基复合材料和抗氧化陶瓷基复合材料的界面层研究现状进行讨论,分析了研究中存在的问题,指出了未来研究的方向和重点。     

复合界面层对SiCf/SiC复合材料力学损伤行为的影响

SiC_f/SiC陶瓷基复合材料在航空航天领域具有广阔的应用前景,其界面层设计是研究重点。研究表明,复合界面层可以有效提升陶瓷基复合材料的抗氧化性能,但其对材料力学性能及损伤机制的影响尚不明确。本研究利用化学气相渗透法(CVI)制备得到具有BN及(BN/SiC)₃复合界面层的小复合材料,探究了复合界面层对SiC_f/SiC复合材料失效机制的影响。基于两种力学加载实验结合声发射探测分析了两种界面层小复合材料的损伤过程。实验结果表明,利用CVI制备的小复合材料界面结构清晰,基体致密。两类小复合材料均具有SiC_f/SiC陶瓷基复合材料的典型力–位移曲线,不同界面层小复合材料损伤过程具有不同的力声特征。通过两类力学加载试验的声发射特征能够有效分析小复合材料各阶段损伤发展情况。本实验中BN及(BN/SiC)₃复合界面层SiC_f/SiC小复合材料最大承受载荷分别为139和160 N,复合界面层小复合材料中的多层界面具有更强的偏转裂纹能力,降低裂纹延伸至纤维的速度,进而提高...     

“CVI+压力PIP”混合工艺制备低成本 C/SiC复合材料

以低成本填料改性有机硅浸渍剂作为先驱体,采用"化学气相渗透法+压力先驱体浸渍裂解法"(CVI+P-PIP)混合工艺制备了低成本C/SiC陶瓷复合材料.研究了浸渍剂裂解机理,探讨了界面涂层对复合材料性能的影响.结果表明,填料改性有机硅浸渍剂裂解产物结构致密、陶瓷产率高;压力可提高填料改性有机硅浸渍剂的致密效率.混合工艺充分利用沉积SiC基体和裂解SiC基体的致密化特点,有效缩短了制备周期.C/SiC/C三层界面不仅可降低纤维/基体之间结合强度界面,提高了复合材料韧性;而且减缓了氧化性气体扩散到碳纤维表面的速度,改善了复合材料的抗氧化性能.复合材料的抗弯强度达到455MPa,断裂韧性达到15.7MPa·m-1/2.在1300℃空气中氧化3h,复合材料失重仅8.5%.     

高温处理对3D C/SiC复合材料热膨胀性能的影响

研究了不同高温处理前后3D C/SiC复合材料热膨胀系数(CTE)的变化规律,从材料内部热应力变化及结构改变的角度定性地分析了其变化机理。研究发现,3D C/SiC复合材料的热膨胀系数受界面热应力的影响,其变化规律是纤维和基体相互限制、相互竞争的结果;高温处理可提高材料的热稳定性,并通过改变界面热应力及材料内部结构,来影响材料热膨胀系数的变化规律;通过增加基体裂纹来降低复合材料的低温热膨胀,但不影响其变化规律;通过改变材料内部结构,使热应力发生变化并重新分布,对复合材料的高温热膨胀产生显著影响。但高温处理没有改变3D C/SiC复合材料的基体裂纹愈合温度(900℃)。      

Effect of Temperature on the Synthesis of SiC Coating on Carbon Fibers by the Reaction of SiO with the Deposited Pyrolytic Carbon Layer

The influence of reaction temperature on the preparation of SiC coating on carbon fibers by the reaction of silicon monoxide with the deposited pyrolytic carbon (PyC) layer has been discussed. With rising reaction temperature, the thickness of SiC layer increases and the SiC grain is coarsening. The apparent activation energy for the synthesis of SiC layer is about 103.3 kJ/mol. The oxidation resistance of carbon fiber can be improved by the SiC/PyC layers significantly. The initial oxidation temperature of the SiC/PyC coated carbon fiber is about 300°C higher than that of the uncoated carbon fiber. The oxidation of the SiC/PyC coated carbon fiber is owing to the diffusion of oxygen through the cracks generated by the mismatch of thermal expansion.     

Mechanical properties of 3D KD-I SiCf/SiC composites with engineered fibre-matrix interfaces

Three-dimensional (3D) silicon carbide (SiC) matrix composites reinforced with KD-I SiC fibres were fabricated by precursor impregnation and pyrolysis (PIP) process. The fibre-matrix interfaces were tailored by pre-coating the as-received KD-I SiC fibres with PyC layers of different thicknesses or a layer of SiC. Interfacial characteristics and their effects on the composite mechanical properties were evaluated. The results indicate that the composite reinforced with as-received fibre possessed an interfacial shear strength of 72.1 MPa while the composite reinforced with SiC layer coated fibres had a much higher interfacial shear strength of 135.2 MPa. However, both composites showed inferior flexural strength and fracture toughness. With optimised PyC coating thickness, the interface coating led to much improved mechanical properties, i.e. a flexural strength of 420.6 MPa was achieved when the interlayer thickness is 0.1 μm, and a fracture toughness of 23.1 MPa m^1/2 was obtained for the interlayer thickness of 0.53 μm. In addition, the composites prepared by the PIP process exhibited superior mechanical properties over the composites prepared by the chemical vapour infiltration and vapour silicon infiltration (CVI-VSI) process.     

Effects of PyC shell thickness on the microstructure,ablation resistance of SiCnws/PyC-C/C-ZrC-SiC composites

SiC nanowires/pyrocarbon (SiCnws/PyC) core-shell structure toughened C/C-ZrC-SiC composites were fabricated by CLVD process,and the influences of PyC shell thickness on the microstructure and ablation resistance of the composites were researched.The results presented that SiCnws/PyC core-shell structure had a linear shape,and the composites became dense with the increasing PyC thickness.When the thickness of PyC shell increased from 0 to 2.4 μm,the density and thermal conductivity of the composites was improved gradually,but the coefficient of thermal expansion (CTE) decreased firstly and then increased.After the ablation test for 90 s,the ablation rates of the composites decreased continuously as the PyC thickness increased from 0 to 1.4 μm,but increased when the PyC thickness was up to 2.4 μm.Especially when the PyC thickness was 1.4 μm,the linear and mass ablation rates of the composites were 71.25 ％ and 63.01 ％ lower than those of the composites without PyC shell.The reasons behind the remarkable improvement of anti-ablation property were that the proper PyC thickness could alleviate the CTE mismatch to promote the formation of complete oxide coating,improve the thermal conductivity to reduce heat corrosion and enhance the capability to limit the mechanical erosion.     

Silicon carbide fibre-reinforced resin matrix composites

Resin matrix composites reinforced with silicon carbide yarn and silicon carbide monofilament were fabricated and evaluated. Both composite systems exhibited excellent mechanical properties. Composite thermal expansion behaviour, fibre electrical resistance, and fibre thermal oxidation resistance are also reported. Advantages with respect to carbon fibre-reinforced resins are discussed.     

先驱体法聚硅氧烷制备SiCf/Si-O-C复合材料的性能研究

以聚硅氧烷为先驱体,采用先驱体转化法制备SiCf/Si-O-C复合材料.研究了吸收剂含量不同对复合材料的弯曲强度、密度、热膨胀系数的影响,同时测试了材料对雷达波的反射率,结果表明低频带区有良好的吸波性能.对材料微观结构进行了分析讨论,发现界面结构与致密度是SiCf/Si-O-C复合材料具有高性能的主要原因.     

气氛与应力对3D C/SiC复合材料热震行为的影响

为了确定薄界面 3D C/ SiC复合材料,即热解炭界面( PyC界面) 厚度低于标准厚度(200 nm) 的复合材料,在应力下和氧化性气氛中的抗热震性 , 利用感应加热环境箱在 700～1200℃氧化性气氛中进行了热震试验,基于试验后的强度保持率变化、拉伸应力2位移曲线变化、微结构变化和试验过程中的长度变化等研究了气氛和应力对其热震损伤行为的影响。研究发现,对于薄界面3D C/SiC复合材料,应力增加了裂纹开度,促进了C相的氧化,加快了热震损伤饱和速度,且蠕变应力对热震损伤的加速作用高于疲劳应力。氧化性气氛对界面的适度氧化和应力导致的界面脱粘能提高了薄界面3D C/SiC复合材料的强度保持率,说明其在应力条件下具有较好的抗氧化和抗热震性能。      

热解炭(PyC)/BN复合粉的制备及其吸波性能

以尿素、硼酸和热解炭(PyC)粉为原料, 利用化学转化法, 在1750℃、N₂气氛下反应6 h, 制备了PyC/BN复合粉。采用XRD、XPS、SEM、DTA/TGA对PyC/BN复合粉的物相组成、化学成分、表面形貌及抗氧化性能进行了表征, 并用矢量网络分析仪测试了PyC/BN复合粉在2~18 GHz频段内的吸波性能。结果表明: 生成的h-BN颗粒在PyC粉表面形成包裹层, 其尺寸为几十至几百纳米。相比于PyC粉, PyC/BN复合粉的抗氧化性能明显提高, 在1200℃时其质量仍剩余50%以上, 而PyC粉在940℃时已被氧化完全。同时, 由于波阻抗增大, 电子位移极化、界面极化、多重散射和λ / 4干涉相消作用, 使得PyC/BN复合粉在相同厚度下(d=2 mm), 其反射率峰值达到-27.2 dB, 反射率小于-10 dB的频宽为2.6 GHz; 且随着厚度的增加, 其反射率峰值均小于-10 dB, 并出现多重吸收峰。PyC/BN复合粉可作为理想的轻质、耐高温、强吸收的吸波剂应用于微波领域。